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1、高中地理 恒星的一生和宇宙的演化素材 新人教版选修1 第一章第三节资料 漫谈宇宙的起源和演化 何谓宇宙？淮南子齐俗训说：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”宇宙即指空间和时间。如果承认物质世界是运动变化的，那么就应当承认，我们的宇宙总星系也是有起源和演化的。 关于宇宙的起源和演化问题的研究，可以说是从爱因斯坦在1917年发表的对广义相对论的宇宙考察一文中提出宇宙空间体积有限但没有边界的宇宙静态模型开始的。20世纪初，宇宙的无限性理论不论是作为一种科学理论，还是哲学上的含义，都已成为定论。人们默认了这样一种宇宙结构图式：宇宙空间是欧几里得几何的三维无限空间，无限多天体就分布在无限的空间之中。爱因
2、斯坦运用广义相对论大胆提出了和上述宇宙模型背道而驰的新模型。他放弃了无限空间的概念，建立了静态有限无边的宇宙模型。他主张宇宙从它的空间广延来说是一个闭合的连续区，好象一个鸡蛋壳。这个连续区的体积是有限的，是一个弯曲的封闭体，因此没有边界，天体就分布在这个封闭体里。爱因斯坦的假说和推论，开创了宇宙学理论的新篇章，由此又产生了多种宇宙模型。 1929年，美国天文学家哈勃发现了星系退行速度和离我们的距离成正比，证明了宇宙正在膨胀。1948年，美籍俄国物理学家伽莫夫把基本粒子的研究成果同宇宙膨胀理论联系起来，系统地提出了大爆炸宇宙论，并且预言了大爆炸以后辐射达到热平衡状态，必定残存着背景辐射。这一预言
3、在1964年由美国的彭齐斯和威尔逊所证实。以后，还陆续地提出了另外一些宇宙演化模型。但在现代宇宙学中，对宇宙的起源和演化这一问题的研究，最有影响的还是大爆炸宇宙论。 大爆炸宇宙论认为，由于目前还不知的某种物理原因，我们的宇宙起源于一次大爆炸事件。起始时，宇宙的温度极高，达150亿度，相当于目前太阳中心温度的1000倍；密度极大，约为水的1014倍，相当于1立方 厘米质量达1亿吨；体积极小，任意两点可以靠得任意近；物质由中子组成。大爆炸后形成“原始火球”，物质四散飞出，宇宙不断膨胀，温度和密度不断下降，物质成份也随之变化。膨胀5分钟以后，当温度降到10亿度时，中子衰变成质子和电子，中子和质子又聚
4、合成氘、氚、氦和更重的元素。半小时后，形成元素的过程结束，宇宙由等离子体组成。等离子体是在高温下被高度电离了的气体，由被电离（电子从原子中跑出来）的离子和自由电子组成。目前，宇宙中的物质有90以上都是等离子体。 2.5亿年后，当温度降到170K，巨大的气状云块“星系胚”形成。星系就是由这些“星系胚”发展而成的。在这以后由于气体的凝聚又形成了恒星、行星以至出现了生命。宇宙中的一切就是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐演化的。 大爆炸宇宙论有哪些观测证据呢？广义相对论指出，光逆着引力方向运动，频率就要减小，波长则相应增长。通过观测发现，河外星系谱线具有普遍性红移现象，这说明河外星系正在作离开我们的运动
5、。也就是说，宇宙现在仍在膨胀着。星系的距离D越远，退行的速度V就越大，且满足哈勃定律V=HD。如果速度不随时间变化，那么，现行观测表明的宇宙年龄1/H在100亿200亿年内，据此推断宇宙的大小也差不多有200亿光年了。星系的退行是支持大爆炸宇宙论的观测证据之一。 从1964年起不断发现，宇宙背景辐射具有理想的黑体谱，一般称为3K微波背景辐射，这正好解释为宇宙早期炽热火球遗留下来的暗淡余光。随着宇宙的膨胀，原始火球的黑体辐射随着温度的降低，势必要拉长波长，进而导致不足3K的微波背景辐射出现。这是证据之二。 通过对原始星际气体的比较发现，在银河系和许多河外星系中，轻元素氦和氢的同位素氖相对于氢的数
6、量基本上是均匀分布的，这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明对照。此乃证据之三。对此，大爆炸宇宙论可这样解释：大爆炸最初几分钟内，预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的形成；而重元素则是在众多的恒星内核深处合成，直到发生超新星爆发时才大量散布开来，它们相对于氢的数量则是不均匀分布的。 用放射性年代学的方法测得月岩和最老的陨石年龄为46亿年；由恒星的演化模型导出的银河系中最老的恒星年龄为150亿年；迄今用各种独立的方法对不同天体测定的时标均在由哈勃定律所确定的宇宙年龄200 亿年以内，说明我们的宇宙是有限的。这一事实和大爆炸宇宙论的有限宇宙模型保持一致，为证据之四。 60年代用综合孔径射电望远镜进
7、行的大量观测表明，具有星系级能量的暗弱射电源的数目，比射电源空间均匀分布假设所预期的多得多，即射电星系在空间实际上是不均匀分布的。一般说来，射电源愈暗弱，就意味着距离愈遥远，因而我们观测到的就愈是它过去的面貌。由此可以推断：射电星系过去比现在多得多，即射电星系是从较强的源演化成较弱的源的。这一推论和以宇宙演化为中心命题的大爆炸宇宙论相符，成为证据之五。 大爆炸宇宙论能较好地解释众多的天文现象，与实际最为接近。但它关于我们的宇宙的起始于一个微点的假设，还未得到证实。还无法解释类星体的红移、大尺度上天体系统分布的成团倾向等现象。除了热爆炸模型外，有人还从各种不同的角度提出了很多模型，如稳恒态模型，
8、物质与反物质模型，等级式模型等，但都没有热爆炸模型更站得住脚。 我们的宇宙未来的命运如何？让我们在大爆炸宇宙学的框架中对其进行一番大胆的预测。宇宙中物质之间有引力相互作用，这个引力将使宇宙的膨胀速度逐渐减小。根据计算，如果宇宙中物质密度达到每1万升空间中约有30个质子，即4.710-30克/厘米3，也就是所谓的临界密度，宇宙就可能停止膨胀。目前观测到的宇宙物质密度是临界密度的5，这似乎说明宇宙应该永远膨胀下去。果真如此，宇宙不仅空间将是无限的，其未来的时间也是无限的。对喜欢无限时空的我们，这确是一个令人振奋的好消息。不过对其中的生命来说，这可不太妙了。生命只能在不断膨胀的宇宙的某一阶段生存、繁
9、衍，过了一定时间以后，生命赖以存在条件逐渐消失，生命也将走完自己的路。 我们的宇庙已有约200亿岁的高寿。再过50亿年左右，我们的太阳将进入晚年，那里进行核反应的燃料氢面临枯竭，地球的末日来临了，生命也即将灭绝。只有那些早已飞到其他星球上的人才得以幸免。在宇宙年龄为几百万亿（1014）年时，随着氢元素的减少，宇宙所有的恒星都将进入晚期，靠自身的余热在苟延残喘了。那时，宇宙中的生命将在严寒中搏斗。在宇宙年龄为几十亿亿（1017）年时，除了极少数高级生物，能在死亡的恒星附近制造一些人造天体，靠恒星的余热生存下去外，绝大部分生命将会灭绝。在大约1032年以后，宇宙中所有的质子都要衰变光，这时宇宙中只
10、有光子，中微子、电子、正电子和大量的黑洞，其他物质都不存在了，生命自然也不例外。以后，宇宙将继续膨胀，物质密度将越来越稀薄。直到10100年时，所有黑洞将蒸发光，于是宇宙中只有几种粒子组成的稀薄气体，而且还越来越稀薄，这种过程将一直维持下去，宇宙成了“白茫茫一片太空真干净”。 宇宙还有没有其他结局呢？经理论推测，宇宙中还存在许多看不见的物质及多种基本粒子。如果包括这些物质在内，宇宙中物质密度就远远超过临界密度。那么，我们的宇宙也许总有一天会停止膨胀，并在引力作用下收缩起来。我们的膨胀宇宙就变成了坍缩宇宙，所有在膨胀宇宙中出现的事件将逆序重新出现，返老还童也许会成为事实。直到有一天，宇宙中所有物质在强大的引力作用下又聚集在一个极小极小的范围。等到再来一次大爆炸。诞生了下一代宇宙，一切又重新开始。我们的宇宙是有生有死的，整个宇宙系列是不中断的，在时间上是无限的，空间上却是有限的。它是脉动形式：由小变大，又由大变小，无限循环。 我们的宇宙未来的命运到底如何？我们的宇宙之外还有没有其他宇宙？其他宇宙的命运如何？无论怎样，我们都不能对前途悲观失望。宇宙的无限奥秘还有待于有志者去努力探索，寻找到解决问题的理想之策。
